intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Hóa học môi trường - Nguyễn Xuân Quỳnh Như

Chia sẻ: Tomjerry | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST
Báo xấu
63
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hóa học môi trường cung cấp cho người học các kiến thức: Hóa học và hoá học môi trường; Hóa học của khí quyển; Hóa học của địa quyển; Hóa học thủy quyển. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa học môi trường - Nguyễn Xuân Quỳnh Như

  1. Bài giảng: “Hóa học môi trường” CHƯƠNG 1 HÓA HỌC VÀ HOÁ HỌC MÔI TRƯỜNG Hóa học môi trường là môn khoa học tổng hợp về các hiện tượng hóa học trong môi trường, chủ yếu tập trung nghiên cứu về nguồn gốc các phản ứng, các quá trình vận chuyển, các ảnh hưởng tác động của các hình thái hóa học cơ bản trong môi trường nước, không khí, đất cùng với ảnh hưởng các hoạt động của con người lên những môi trường kể trên. Hóa học môi trường cung cấp những kiến thức cơ bản về các tương tác, ảnh hưởng của các hình thái hóa học đối với môi trường, giúp hiểu rõ bản chất các hiện tượng hóa học xảy ra xung quanh chúng ta và đưa ra những giải pháp tích cực nhằm ngăn chặn những tác động có hại đến môi trường 1.1. HỆ SINH THÁI 1.1.1. Khái niệm chung a. Định nghĩa Hệ sinh thái là một đơn vị bất kì nào bao gồm các sinh vật (các quần xã) của một khu vực nhất định cùng tác động qua lại với môi trường vật lí bằng các dòng năng lượng tạo nên cấu trúc dinh dưỡng xác định, sự đa dạng về loài và các chu trình vật chất trong mạng lưới được gọi là hệ thống sinh thái hay hệ sinh thái. 1 Hệ sinh thái có thể hiểu nó bao gồm quần xã sinh vật (động vật, thực vật, vi sinh vật) và môi trường vô sinh (ánh sáng, nhiệt độ, chất vô cơ...) Các hệ sinh thái có 2 loại năng suất:  Năng suất sơ cấp: đó là năng suất của sinh vật sản xuất  Năng suất thứ cấp: đó là năng suất của sinh vật tiêu thụ  Năng suất được tính là: Gam chất khô/m²/ngày b. Thành phần Hệ sinh thái có thể được chia thành các thành phần sau: - Thành phần vô sinh bao gồm các chất vô cơ tham gia vào vòng tuần hoàn vật chất (CO2, H2O, O2, C, N...), các chất hữu cơ riêng biệt (protein, gluxit, lipit, mùn...) và các yếu tố vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm. - Thành phần hữu sinh bao gồm các sinh vật sống như thực vật có khả năng tạo chất dinh dưỡng từ các chất vô cơ đơn giản, các sinh vật bé nhỏ như vi khuẩn, nấm phân giải các chất hữu cơ để sinh sống và giải phóng ra các chất vô cơ, hoặc các loài sinh vật ăn sinh vật (động vật và người) c. Cấu trúc của hệ sinh thái 1 Nguyễn Văn Tuyên, 2001. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 1
  2. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Hệ sinh thái xét về cấu trúc có 4 thành phần cơ bản: các yếu tố môi trường, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân hủy. - Sinh vật sản xuất là thực vật và các vi khuẩn có khả năng tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vô cơ và ánh sáng mặt trời (sinh vật tự dưỡng). - Sinh vật tiêu thụ (sinh vật dị dưỡng ) lấy chất dinh dưỡng từ sinh vật sản xuất thông qua tiêu hóa thức ăn. Sinh vật tiêu thụ bậc 1 là động vật ăn cỏ. Sinh vật tiêu thụ bậc 2 là động vật ăn thịt bậc 1. Sinh vật tiêu thụ bậc 3 là động vật ăn thịt bậc 2..v.v.. - Sinh vật phân hủy bao gồm vi khuẩn và nấm có chức năng phân hủy xác chết và thức ăn thừa, chuyển chúng thành các yếu tố môi trường. Giữa các thành phần trên luôn có sự trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin. 1.1.2. Cân bằng sinh thái là trạng thái ổn định tự nhiên của hệ sinh thái hướng tới sự thích nghi cao nhất của điều kiện sống. Cân bằng sinh thái chỉ tồn tại khi các điều kiện tồn tại và phát triển của từng thành phần trong hệ thống được đảm bảo và ổn định. Cân bằng sinh thái không phải là một trạng thái tĩnh của hệ thống, khi có một nhân tố nào đó của môi trường bên ngoài tác động tới bất kỳ một thành phần nào đó của hệ thì trạng thái ổn định của hệ sinh thái bị biến đổi. Trạng thái cân bằng này là trạng thái cân bằng động mà các hệ sinh thái tự nhiên có khả năng tự điều chỉnh để phục hồi trở lại trạng thái ban đầu. Như vậy, hệ số sinh thái biến đổi nhưng vẫn ở trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, nếu thành phần nào đó của hệ bị tác động quá mạnh và không khôi phục lại được sẽ làm suy thoái toàn hệ thống. Đấy được gọi là mất cân bằng sinh thái. 1.2. MÔI TRƯỜNG Môi trường là tập hợp tất cả các thành phần của thế giới vật chất bao quanh, có khả năng tác động đến sự tồn tại và phát triển của mỗi sinh vật. Môi trường thiên nhiên bao gồm các yếu tố tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học và tồn tại khách quan ngoài ý muốn của sinh vật (con người). Sinh vật và môi trường xung quanh luôn có quan hệ tương hỗ với nhau về vật chất và năng lượng, thông qua các thành phần môi trường như khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển cùng các hoạt động của hệ mặt trời.Các thành phần của môi trường trong tự nhiên không tồn tại ở trạng thái tĩnh mà luôn có sự vận động, chuyển hóa hướng tới trạng thái cân bằng để đảm bảo sự sống trên Trái đất phát triển ổn định. Ô nhiễm môi trường là những tác động làm thay đổi các thành phần môi trường, tạo nên sự mất cân bằng trạng thái môi trường, gây ảnh hưởng xấu tới sinh vật và môi trường tự nhiên. Có thể hiểu một cách cụ thể hơn: Ô nhiễm môi trường là những tác động làm thay đổi môi trường tự nhiên thông qua sự thay đổi các thành phần vật lý, hóa học, năng lượng, mức độ phổ biến của vi sinh vật...Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến con người qua đường thức ăn, nước uống và không khí hoặc ảnh hưởn gián tiếp đến con người do sự suy thoái môi trường tự nhiên. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 2
  3. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Chất gây ô nhiễm là những chất không có trong tự nhiên hoặc vốn có trong tự nhiên nhưng nay có hàm lượng lớn hơn và gây tác động có hại cho môi trường tự nhiên, cho con người cũng như sinh vật sống. Chất gây ô nhiễm có thể do các hiện tượng tự nhiên sinh ra gây ô nhiễm trong một phạm vi nào đó của môi trường (núi lửa, cháy rừng, bão lụt...) hoặc do các hoạt động của con người gây nên (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt đô thị...). Có thể phân loại chất ô nhiễm theo phương thức mà nó xuất hiện trong môi trường. Đó là: - Chất ô nhiễm sơ cấp: là những chất ô nhiễm xâm nhập vào môi trường trực tiếp từ nguồn sinh ra nó. Ví dụ SO2 sinh ra do quá trình đốt nhiên liệu có chứa tạp chất lưu huỳnh. - Chất ô nhiễm thứ cấp: là những chất ô nhiễm tạo thành từ những chất ô nhiễm sơ cấp trong điều kiện tự nhiên của môi trường. Ví dụ SO3, H2SO4 tạo ra từ SO2, O2 và hơi nước trong khí quyển. Lưu trình của chất gây ô nhiễm là quá trình trong đó chất ô nhiễm đi từ nguồn phát sinh chất ô nhiễm đến các bộ phận của môi trường. Ví dụ lưu trình của Chì (Pb) trong xăng đi vào cơ thể người gây độc hại như sau: Ống xả khí Pb(C2H5)4 + O2 PbCl2 + PbBr2 (khí quyển) Người Thực phẩm PbCl2 + PbBr2 (trong đất) 1.3. SỰ TIẾN HÓA MÔI TRƯỜNG 1.3.1. Sự xuất hiện các nguyên tố và phát triển của hóa địa Trái đất của chúng ta có khoảng 4,6.109 năm tuổi. Ở thời điểm ban đầu có sự ngưng tụ và xâm nhập của các chất dạng khí và dạng rắn, nhiệt độ khi đó thấp hơn 1000K và trong suốt quá trình tiến triển, cứ khoảng 109 năm lại có một quá trình tăng nhiệt và một phần khối lượng trái đất bị nóng chảy, phân ly thành các thành phần của trái đất theo tỷ trọng, theo pha ngưng tụ, sau đó là quá trình làm nguội từ từ hoặc kết tinh thành lớp vỏ cứng và xuất hiện cấu trúc của hành tinh chúng ta ngày nay. Trong khí quyển, thuỷ quyển và địa quyển của Trái đất, có 82 nguyên tố có hạt nhân bền vững và 11 nguyên tố tiếp theo có số thứ tự từ 83 đến 94 là những đồng vị phóng xạ. Ngoài ra còn có trên 30 nguyên tố phõng xạ với những chu kỳ bán huỷ hoàn toàn khác nhau. Nhờ những tác động nhân tạo đối với các hạt nhân, tới nay con người đã có thể chế tạo được khoảng 1000 hạt nhân phóng xạ với độ bền khác nhau. Từ những nguyên tố hóa học có trên Trái đất và các liên kết nhiều mặt đa dạng của chúng mà vũ trụ, môi trường tự nhiên và con người chúng ta được tạo thành. 1.3.2. Sự hình thành sơ bộ các nguyên tố trong sự phát triển hóa địa Trước hết là sự phân hủy các thành phần dễ bay hơi (nitơ, khí trơ...) trên bề mặt Trái đất. Nhiệt độ ở thời kỳ đầu chỉ cho các nguyên tố như nguyển tử hyđrô, hêli và phân tử của GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 3
  4. Bài giảng: “Hóa học môi trường” chúng được hình thành. Sau đó nhiệt độ Trái đất tăng dần lên và xuất hiện các phần tử khí nặng hơn (NH3, CH4, CO, N2, O2). Khí quyển của Trái đất hồi đó được tạo thành là do kết quả của quá trình sinh khí từ những chất rắn qua một quá trình mà ngày nay còn thấy trong những hoạt động của núi lửa và thành phần hóa học của chúng bao gồm H2, các khí trơ, N2, H2O, CO, CO2, NH3, CH4, H2S... Những nguyên tố, có liên kết phân tử dễ bay hơi sẽ tạo thành những phân tử mới như CH4, CO, CO2, hoặc cacbonat, trong khi một số nguyên tố khác (Mg, Al, Si) trong vũ trụ và trên Trái đất có xu hướng kết hợp với ôxy thành các liên kết ôxy có nhiệt độ sôi cao. Qua quá trình lạnh dần của trái đất, các liên kết oxi của các nguyên tố có điện tích dương lớn sẽ hình thành. Lưu huỳnh biến đổi thành sunfit, silic thành oxyt silic và silicat. Các kim loại tạo thành oxyt và sunfit kim loại. Ngoài ra còn 1 số kim loại có điện tích lớn sẽ tham gia qúa trình oxi hóa khử. Sắt nằm ở nhân trái đất hiện nay gồm một phần lỏng, một phần rắn. Vỏ ngoài Trái đất gồm những dạng khác nhau của các đá silicat (khoáng thạch anh, feldspat, ôlivin, amphibole, glimmer). Cấu trúc của chúng thay đổi liên tục và tỷ trọng của chúng tăng lên theo độ sâu của Trái đất. Lớp vỏ cứng của Trái đất (chiếm khoảng 1% khối lượng trái đất) có tỷ trọng nhỏ nhất và có cấu tạo đa dạng hơn nhân và vỏ ngoài của nó. 1.3.3. Qúa trình làm giàu các nguyên tố trong quặng Qúa trình làm lạnh dần của Trái đất và sự kết tinh của các đá silicat dẫn tới giai đoạn phát triển ban đầu của Trái đất và hình thành quặng. Qụăng là một hỗn hợp khoáng kim loại được hình thành do hàng loại các quá trình rất khác nhau. Tuỳ theo đặc tính hóa học mà có thể coi chúng được hình thành từ 3 quá trình cơ bản: - Qúa trình biến đổi của nhiệt độ - Qúa trình phong hóa và vận chuyển - Qúa trình khử 1.3.4. Sự tiến triển của hóa học – sinh học Ở giai đoạn đầu sự tiến triển của Trái đất, khí quyển hầu như chưa hình thành và Trái đất còn ở dạng lỏng. Do quá trình lạnh dần mà các khí do núi lửa và các hoạt động trong lòng trái đất sinh ra được vận chuyển lên trên bề mặt của Trái đất. Vì lúc đó sắt nóng chảy chưa hoàn toàn đọng ở nhân Trái đất nên những khí sinh ra sẽ tham gia phản ứng với sắt, oxytsắt và silicat, tạo thành H2, hơi nước, CO và một lượng nhỏ N2, CO2, H2S...tất cả tạo thành tiền khí quyển. Nhiệt độ bề mặt Trái đất so với nhiệt độ bên trong của nó là tương đối thấp do đó tác động tới việc làm lạnh khí và đẩy nhanh chuyển dịch cân bằng của nhiều phản ứng hóa học. Hơi nước trong khí quyển ngưng tụ và qua đó xuất hiện dạng tiền thủy quyển. Các oxyt cacbon CO2 và CO qua quá trình hydro hóa được khử thành CH4 theo các phản ứng sau: CO2 (h) + 4H2(h)  CH4 (h)+ 2H2O(h) CO khí + 4H2 khí  CH4 khí + 2H2Okhí GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 4
  5. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Cũng tương tự các phản ứng trên, nitơ được khử thành NH3 và tạo nên cần bằng amôn – axit – bazơ: N2 + 3H2  2NH3 NH3 + H2O  NH4+ + OH- Từ đó xuất hiện CH4, NH3 và cân bằng NH3 – NH4+ 1.4. CƠ SỞ CỦA HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG 1.4.1. Các thành phần môi trường của trái đất Khi nghiên cứu người ta chia Trái đất thành các phần sau: 1.4.1.1. Khí quyển Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, có khối lượng 5,2.1018kg, nhỏ hơn 0,0001% trọng lượng Trái đất. Do tác dụng của lực hấp dẫn của Trái đất, 9/10 trọng lượng khí quyển đều tập trung ở lớp khí quyển gần mặt đất trong khoảng 16km. Khí quyển có tác dụng duy trì sự sống trên Trái đất, ngăn chặn những tác động độc hại của các tia tử ngoại gần ( = 300nm) và cho các tia trông thấy được, tia hồng ngoại gần và sóng radio đi vào Trái đất. Thành phần chủ yếu của khí quyển ở gần bề mặt trái đất bao gồm nitơ (78.1% theo thể tích) và ôxy (20.9%), với một lượng nhỏ acgon (0.9%), cacbon điôxít (dao động, khoảng 0.035%), hơi nước và một số chất khí khác chưa đầy 1%. Trong lớp khí quyển còn chứa một số lượng nhất định hơi nước và các loại bụi bậm. Những chất này là thành phần quan trọng để hình thành mây, mưa, sương, tuyết,...Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm. Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cân bằng nhiệt lượng của Trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời đến và phản xạ tia nhiệt từ mặt đất lên. Khí quyển là nguồn cung cấp O2 và CO2 cần thiết cho sự sống trên Trái đất, cung cấp nitơ cho quá trình cố định đạm ở thực vật...Khí quyển còn là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước. Cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, con người đã thải bỏ nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển làm môi trường khí quyển bị ô nhiễm. Hóa học khí quyển là cơ sở để hiểu biết về nguồn gốc, quá trình biến đổi và hình thành các chất trong khí quyển. 1.4.1.2. Thủy quyển Thủy quyển của Trái đất nằm giữa khí quyển và địa quyển. Thủy quyển bao gồm tất cả các dạng nguồn nước có trên Trái đất, gồm đại dương, biển, hồ, sông, suối, các nguồn chứa bằng ở hai cực trái đất và cả nguồn nước ngầm. Theo ước tính của các nhà khoa học, tổng lượng nước trên bề mặt Trái đất vào khoảng 1,4 tỷ km3, trong đó biển chiếm 97,3% nước dưới dạng băng hà ở trên mặt đất chiếm 2,7%. Chỉ có 1% nước của Trái đất kể trên được con người sử dụng, trong số đó: 30% được dùng cho mục đích tưới tiêu, 50% dùng cho các nhà máy sản xuất năng lượng, 7% dùng cho sinh hoạt, 12% dùng cho sản xuất công GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 5
  6. Bài giảng: “Hóa học môi trường” nghiệp. Nước bề mặt dễ bị ô nhiễm bởi các loại hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón, chất thải của con người và động vật có trong nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Dưới ánh nắng Mặt trời, thủy quyển của Trái đất không ngừng vận động tuần hoàn. Nước ở trên mặt đất bốc hơi thành hơi nước trong khí quyển, hơi nước trong khí quyển với một điều kiện thích hợp nào đó ngưng đọng lại thành nước mưa rơi xuống mặt đất và biển. Nước trên mặt đất hội tụ lại thành suối, thành sông chảy ra hồ, ra biển hoặc thấm xuống đất, qua các khe nứt của các nham thạch trở thành nước ngầm, hoặc trực tiếp bốc hơi trở lại khí quyển. Trong quá trình tuần hoàn nước, khí quyển là công cụ vận chuyển chủ yếu của nước. Nhờ có tuần hoàn nước trên Trái đất với quy mô lớn, không ngừng không nghỉ nên mới làm cho mặt đất biến đổi thường xuyên, vạn vật sinh sôi nảy nở. Hình 1.1. Sự vận động tuần hoàn của Thủy quyển (Ảnh: cmmacs) Hoá học môi trường nước là cơ sở để hiểu biết về nguồn gốc, quá trình vận chuyển, đặc tính và hình thái hóa học của các chất trong nước. 1.4.1.3. Địa quyển Địa quyển là lớp vỏ rắn ngoài của Trái đất, có bề sâu từ 0 đến 100 km, nơi mà con người hiện tại sinh sống và nơi mà con người khai thác thức ăn, nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu, năng lượng và các dạng tài nguyên khác phục vụ sự tồn tại và phát triển của mình. Thành phần của địa quyển gồm đất và các khoáng chất xuất hiện trong lớp phong hóa của Trái đất. Thực chất địa quyển là tổ hợp phức tạp của các chất khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước. Trong địa quyển, đất là thành phần quan trọng nhất. Trong quá trình khai thác các tài nguyên trong địa quyển, con người đã thải trả lại địa quyển nhiều chất thải rắn, chất thải lỏng độc hại làm ô nhiễm đất. 1.4.1.4. Sinh quyển GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 6
  7. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Sinh quyển là toàn bộ các dạng đời sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái đất hay nói cách khác sinh quyển gồm tất cả những thành phần của 3 môi trường kể trên có tồn tại sự sống và có liên quan tác động tương hỗ giữa các thành phần môi trường khí quyển, thủy quyển, địa quyển. Đây là một lớp mỏng các sinh vật sống mà hầu hết trong số đó sử dụng năng lượng mặt trời để tạo dựng các tế bào và hoạt động Thành phần của Sinh quyển cũng tương tự như thành phần của các quyển môi trường khác của Trái đất, nhưng gần gũi với thành phần của Thuỷ quyển hơn nhiều so với thành phần của Thạch quyển, bởi các tế bào sống nói chung có chứa tới 60% đến 90% nước. Giống như Khí quyển và Thuỷ quyển, Sinh quyển chứa chủ yếu các nguyên tố nhẹ hơn. Trong thực tế, không tìm thấy các nguyên tố có số nguyên tử cao hơn con số 53 (Iot) trong các tế bào sống, trừ rất hiếm khi thấy ở dạng vết. Theo số các nguyên tử, Sinh quyển được cấu tạo từ 99% hydro, oxy, cacbon và nitơ. Bốn nguyên tố này được tìm thấy ở tất cả các sinh vật trên Trái đất. 1.4.2. Vòng tuần hoàn vật chất toàn cầu Hầu như mọi vật chất đều tham gia các vòng tuần hoàn, chúng chuyển động theo nhiều phương thức khác nhau, với những tốc độ khác nhau giữa khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển. Tất cả các vật thể sống đều cần C, H, O, N cũng như các nguyên tố P, S, Ca, K, Mg, Na....và những nguyên tố này luôn tham gia trong các chu kỳ tuần hoàn. Ví dụ, cacbon trong vỏ trái đất ở dạng than và CaCO3 nhưng cũng có thể tồn tại ở trong tảo và các sinh vật biển... Mô hình đơn giản của vòng tuần hoàn vật chất toàn cầu có thể được mô tả gồm 2 quá trình vận chuyển và lưu giữ. Ở mô hình này, có thể coi tổng lượng vật chất của một chất nào đó tham gia vào thành phần môi trường cũng chính là lượng sẽ ra khỏi thành phần đó theo định luật bảo toàn vật chất và năng lượng. Khi lượng vào lớn hơn lượng ra, ta có quá trình lưu giữ, ngược lại, khi lượng vào nhỏ hơn lượng ra thì ta có quá trình tiêu tán. Vật chất luôn nằm trong quá trình vận động, khi thì tồn tại ở nguồn chứa, khi thì nằm trong quá trình thải loại. 1.5. QUÁ TRÌNH TIẾN TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Bản chất sống là hệ thống các phần nguyên tử có khả năng tái sản xuất và phát sinh một cách chọn lựa trong môi trường. Thế giới sinh học ngày nay cảu chúng ta là kết quả của một sự tiến triển kéo dài hơn 4 tỉ năm. Sự tiến triển của sự sống có thể phân thành 4 giai đoạn: - Tiến triển hóa học - Tiến triển tiền sinh học - Tiến triển sinh học - Tiến triển xã hội Tiến triển hóa học là quá trình hình thành các phân tử phức tạp, các phân tử đơn sinh và các phân tử đa sinh đều được sinh ra từ các vật thể đơn giản của thời kỳ tiền khí quyển hoặc thời kỳ tiền thủy quyển theo hướng liên kết hóa học qua việc sử dụng nguồn năng lượng xuất hiện trên Trái đất trước kia. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 7
  8. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Tiến triển tiền sinh học là quá trình tự hình thành hệ thống các đại phân tử sinh học như axit nuleic và protein. Tiến triển sinh học là quá trình phát triển đa dạng của bản chất sự sống tồn tại trên Trái đất, bắt đầu từ sự phát triển của các vi khuẩn vô cơ, vi khuẩn tổng hợp quang học, vi khuẩn hiếu khí...rồi đến sự xuất hiện của tảo đơn bào, tảo đa bào... Tiến triển xã hội là sự tiến triển của con người từ động vật đến xã hội loài người ngày nay. Trong quá trình tiến triển xã hội, nhận thức của con người và xã hội loài người chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự tiến triển của hóa học, sinh học và tiến dần đến xã hội ngày càng văn minh hơn. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 8
  9. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Chương 2 HÓA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN 2.1. VAI TRÒ CỦA KHÍ QUYỂN - Khí quyển là lớp không khí trên bề mặt trái đất, không có giới hạn. - Khối lượng của khí quyển vào khoảng 5 x 1018tấn, trong đó 99% nằm ở lớp dưới 30km so với mặt đất do sức hút của lực trái đất. - Trong khí quyển có khoảng 50 hợp chất hoá học được tạo nên bởi hàng loạt các phản ứng cân bằng trong đó. Thành phần và hàm lượng các chất này tùy thuộc vào điều kiện địa lý, khí hậu và phân bố theo chiều cao kể từ bề mặt đất trở lên. Khí quyển có vai trò: - Cung cấp O2 và CO2 cần thiết duy trì sự sống trên trái đất. - Ngăn chặn các tia tử ngoại gần ( = 300 nm). - Cho các tia trong vùng khả kiến –tia trông thấy ( = 400-800 nm), tia hồng ngoại gần ( = 2500 nm), và sóng radio đi vào trái đất. - Giữ cân bằng nhiệt lượng của trái đất (thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời và phản xạ tia nhiệt từ trái đất). - Là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước. - Không khí có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với con người. trong một ngày một người cần khoảng 1,8 - 2,5 lít nước uống, 1,4 kg thức ăn nhưng cần một lượng không khí khoảng 14 kg tương đương 12m3 không khí. Con người có thể không uống 2 đến 4 ngày, không ăn 2 tuần nhưng không thể thiếu không khí trong vài phút. Bảng 2.1. Nhu cầu không khí sinh hóa đối với con người Trạng thái lít/phút lít/ngày Nghỉ ngơi 7,4 10.600 Lao động nhẹ 28 40.400 Lao động nặng 43 62.000 2.2. CẤU TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN Khí quyển Trái đất có cấu trúc phân lớp với các tầng đặc trưng từ dưới lên trên như sau: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian và tầng nhiệt (tầng ion), tầng điện ly.Mỗi tầng của khí quyển được đặc trưng bởi mức xác định của nhiệt độ và áp suất với những đặc điểm riêng biệt của những hiện tượng vật lý, hóa học... GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 9
  10. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Hình 2.1. Cấu trúc theo chiều thẳng đứng của khí quyển 2.2.1. Tầng đối lưu (troposphere) - Tầng đối lưu là phần thấp nhất của khí quyển và là tầng mà phần lớn các hiện tượng thời tiết diễn ra. Đặc trưng của tầng này thể hiện ở các dòng đối lưu của khí nóng từ bề mặt bốc lên cao và lạnh đi. Hiện tượng đối lưu đã mang lại tên gọi cho tầng này. - Từ 0 - 15 km, chiếm 70% khối lượng khí quyển. Tầng này quyết định khí hậu của trái đất với thành phần chủ yếu là N2, O2, CO2 và hơi nước. Thành phần khí quyển ở phần gần mực nước biển chính là thành phần không khí quanh ta, gần 78,9% N2, 20,94% O2, 0,93% Ar, 0,03% CO2 và vết của một số nguyên tố, hợp chất khác. - Đặc trưng bằng sự giảm nhiệt độ theo chiều cao (6,4oC/km). - Trên lớp đối lưu là lớp chuyển tiếp: nhiệt độ không đổi theo chiều cao (-55oC). - Trong khu vực tầng đối lưu thì không khí liên tục luân chuyển và tầng này là tầng có mật độ không khí lớn nhất của khí quyển Trái Đất. Nitơ và ôxy là các chất khí chủ yếu có mặt trong tầng này. - Phản ứng quan trọng trong tầng đối lưu là phản ứng tổng hợp quang hóa và phản ứng cố định nitơ để tổng hợp đạm. - Đỉnh tầng đối lưu đánh dấu giới hạn của tầng đối lưu và nó được nối tiếp bằng tầng bình lưu. Nhiệt độ ở phía trên đỉnh tầng đối lưu lại tăng lên chậm cho tới cao độ khoảng 50 km. Nói chung, các máy bay phản lực bay ở gần phần trên cùng của tầng đối lưu. Hiệu ứng nhà kính cũng diễn ra trong lớp trên cùng tầng đối lưu. 2.2.2. Tầng bình lưu (statosphere) - Tầng bình lưu nằm ngay phía trên tầng đối lưu và ở phía dưới của tầng trung lưu. Ranh giới trên cùng của tầng này gọi là ranh giới bình lưu. Tầng khí quyển này có tên là bình lưu vì đây là tầng khí quyển có ít các dòng đối lưu xoáy mạnh. Các máy bay dân GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 10
  11. Bài giảng: “Hóa học môi trường” dụng thường chọn bay ở độ cao nằm gần ranh giới giữa tầng này và tầng đối lưu để giảm thiểu nguy cơ tai nạn do diễn biến đối lưu bất thường của khí quyển. - Từ 15 – 50km, tăng nhiệt độ theo chiều cao, từ -56 đến -2oC. Thành phần chủ yếu của tầng này là O3, N2, O2 và một số gốc hóa học khác. - Ozôn đóng vai trò quan trọng trong tầng bình lưu, nó hoạt động như một lớp màng bao bọc bảo vệ Trái đất khỏi những ảnh hưởng độc hại của tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống. Vì sự xáo trộn chậm chạp ở tầng bình lưu nên thời gian lưu của các phần tử hóa học ở vùng này khá lâu. - Có hai điểm khác biệt chính là: + Nồng độ hơi nước tại tầng bình lưu thấp hơn tầng đối lưu từ 1000 - 10.000 lần (khoảng 2-3 ppm). + Nồng độ ôzôn (10 ppm) cao hơn 1.000 lần so với ở mực nước biển. + Sự tăng nhiệt độ ở tầng bình lưu được giải thích là do ôzôn ở đây hấp thụ tia tử ngoại và toả nhiệt: O3 + h ( = 220 – 330 nm) ---- > O2 + O + q 2.2.3. Tầng trung gian (mesosphere) Có độ cao từ 50 – 85 km, nhiệt độ từ -2 đến – 920C. Tầng này ngăn cách với tầng bình lưu bằng lớp tạm dừng, đánh dấu bởi sự biến thiên nhiệt độ từ dương sang âm nghĩa là ở tầng này nhiệt độ giảm theo chiều cao. Thành phần các chất chủ yếu ở tầng này gồm O2+, NO+, O+ và N2. 2.2.4. Tầng nhiệt (thermosphere) Tầng này còn được gọi là tầng ion, ở độ cao từ 85 –100km, nhiệt độ từ –92 đến 12000C. Tại đây do tác dụng của bức xạ mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy, ozôn, nitơ, oxyt nitơ, hơi nước, CO2..., chúng bị tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O, O+, O2+, NO+, CO32-...và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ tia mặt trời ở vùng tử ngoại. 2.2.5. Tầng ngoài hay tầng điện ly (exosphere) Tầng này bao quanh trái đất ở độ cao trên 800km. Nhiệt độ tầng này tăng nhanh tới khoảng 17000c. Tầng này có mặt các ion ôxy O+, heli He+, hydro H+. Đây là vùng quá độ giữa khí quyển Trái đất với khoảng không vũ trụ. Vì không khí ở đây rất loãng, nhiệt độ lại rất cao, một số phân tử và nguyên tử chuyển động với tốc độ cao cố "vùng vẫy" thoát ra khỏi sự trói buộc của sức hút Trái đất lao ra khoảng không vũ trụ. Do đó tầng này còn gọi là tầng thoát ly. 2.3. THÀNH PHẦN CỦA KHÍ QUYỂN Mặc dù có nhiều quá trình hóa lý xảy ra trong khí quyển nhưng thành phần không khí gần bề mặt Trái đất về cơ bản vẫn không đổi, bao gồm chủ yếu là N2, O2, hơi nước, CO2, H2, O3, NH4 và các chất khí trơ. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 11
  12. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Bảng 2.2 Thành phần không khí sạch – khô Công thức Thành phần (ppm) Thời gian lưu ở tầng đối lưu (năm) N2 780,840 6.000000 O2 209,460 4500 Ar 9,340 - CO2 315 2-4 Ne 18 - He 5,2 - CH4 1,0 - 1,5 7 Kr 1,1 - N2O 0,5 200 H2 0,5 - Xe 0,08 - Ngoài ra có một thành phần quan trọng khác trong khí quyển, đó là các cấu tử không phải dạng khí mà là hạt lơ lửng và bụi. Đường kính của chúng từ 10-6 đến 10-1 mm và dao động trong phạm vi rộng từ kích thước phân tử tới các hạt kích thước lớn. Các hạt này sinh ra trong các quá trình tự nhiên và nhân tạo. Những chất nhiễm bẩn không phải dạng khí này được thu hồi do lắng hoặc ngưng tụ ở bề mặt trái đất. 2.4. PHẢN ỨNG QUANG HÓA TRONG KHÍ QUYỂN Rất nhiều thành phần trong khí quyển tham gia phản ứng quang hóa. Qúa trình quang hóa là hàng loạt những phản ứng hóa học xảy ra trong đó năng lượng cần thiết cho phản ứng được chuyển đến nhờ các sóng điện từ. Các phân tử và nguyên tử hấp thụ các phôtôn nên chuyển sang trạng thái kích thích, trạng thái này là một hình thái hóa học mới. Các phản ứng quang hóa đóng vai trò quan trọng trong thành phần khí quyển cũng như trong quá trình ô nhiễm môi trường khí quyển. Bước đầu tiên của phản ứng này là phân tử hấp thụ phôtôn tạo nên trạng thái kích hoạt: A + h  A* . Trong đó: h: hằng số Planck : tấn số sóng ánh sáng h : biểu thị photon của ánh sáng Tiếp đó phân tử ở trạng thái kích hoạt sẽ tham gia các phản ứng sau: - Tỏa nhiệt: Các phân tử ở trạng thái kích hoạt trả lại năng lượng dư dưới dạng năng lượng nhiệt: A*  A + E E: năng lượng được giải phóng Phân tử bị kích thích mất năng lượng dư của mình cho nguyên tử hay phân tử trung gian. Nguyên tử này có khả năng chuyển đổi năng lượng lớn, ngay sau đó lại giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt để trở về trạng thái ban đầu. A* + M  A + M* M*  M + E GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 12
  13. Bài giảng: “Hóa học môi trường” - Phát xạ: Năng lượng dư của các phân tử bị mất dưới dạng các sóng điện từ. Khi bước sóng của các tia điện từ này nằm torng dải nhìn thấy của quang phổ thì các phản ứng này được gọi là phản ứng phát quang: A*  A + h - Trao đổi năng lượng liên phân tử: năng lượng của các phân tử bị kích thích được chuyển cho phân tử khác, làm cho phân tử mới trở nên ở trạng thái bị kích hoạt: A* + M  A + M* - Trao đổi năng lượng nội phân tử: năng lượng được trao đổi ngay trong phân tử làm biến đổi các phân tử từ trạng thái kích hoạt này sang trạng thái kích hoạt khác: A*  A*’ Các phản ứng quang hóa cơ bản xảy ra trong môi trường bao gồm: - Phản ứng quang hóa sinh ra oxi nguyên tử NO2 + h ( < 420 nm)  NO + O - Các phản ứng dây chuyền, phân nhánh hay ngắt mạch: ROO + h  ROO* NO + ROO  NO2 + sản phẩm mới NO2 + R*  sản phẩm - Phản ứng của nguyên tử oxi kích hoạt với hơi nước trong không khí, tạo gốc HO* có hoạt tính cao: O* + H2O  2HO* Các gốc HO* phản ứng rất mạnh với các oxyt á kim trong khí quyển: HO* + NO2  HNO3 HO* + NO + M  HNO2 + M CO + HO* + O2  CO2 + HOO* Phản ứng trên là phản ứng rất quan trọng trong quá trình giảm nồng độ CO có trong khí quyển. Gốc hoạt hóa HOO* (hydroperoxyl) có thể quay lại trạng thái hydro peroxyt bằng phản ứng oxi hóa NO: NO + HOO*  NO2 + HO* - Các phản ứng phân ly quang hóa trong khí quyển: H2O2 + h ( < 350 nm)  2HO* HNO2 + h  HO* + NO CH2O + h ( < 335 nm)  CHO + H* HOOH + h ( < 350 nm)  2HO* GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 13
  14. Bài giảng: “Hóa học môi trường” - Một số phản ứng với các hợp chất hữu cơ. Đó là các phản ứng quan trọng trong việc phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp trong khí quyển. + Phản ứng với các hydrocacbon RH + O + O2  ROO + HO RH + HO + O2  ROO + H2O R =R’ + O + 2O2  ROO + R’’ – COO R =R’ + HO + O2  ROO + H – COR’’ + Phản ứng của các andehyt với HO kích hoạt: R – CHO + HO + O2  R – COO + H2O + Phản ứng của các andehyt với O2 dưới tác dụng của ánh sáng R – CHO + h + 2O2  ROO + CO + HOO Thông thường các phản ứng quang hóa không chỉ xảy ra trong khí quyển mà còn xảy ra trong thủy quyển và trong cả hệ thống sinh học giữa các thành phần hoàn toàn khác nhau. Mặc khác các phản ứng quang hóa của các thành phần này có thể xảy ra song song hoặc theo kiểu dây chuyền, tùy thuộc vào đặc tính của chúng trong môi trường. 2.4. OXI VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA OXI TRONG KHÍ QUYỂN 2.4.1 Oxygen - Tổng lượng oxygen: khoảng 1,8x1019mol hoặc 1,2x1018 kg. Trong hóa học của khí quyển, oxi đóng vai trò quan trọng, ở tầng đối lưu, oxi tồn tại dưới dạng oxi phân tử và các oxít như SO2, CO2...là sản phẩm của quá trình cháy, quá trình phân hủy và quá trinh oxy hóa do thời tiết. C + O2  CO2 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O N + O2  2NO H2S + O2  SO2 + H2 FeO + O2  Fe2O3 - Oxy sinh ra trong khí quyển là phản ứng quang hợp của thực vật (5,0x1015 mol/năm, tức 4,0x1014 kg/năm). Quá trình quang hợp hầu như cân bằng với các quá trình tiêu thụ oxy, đó là quá trình hô hấp, phân hủy chất hữu cơ và quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch. - Trong thủy quyển, oxi có thể hòa tan trong nước hay kết hợp với hidro tạo thành nước. - Trong địa quyển, oxi tác dụng với 1 số kim loại hoặc á kim tạo thành các oxit của cacbon, mangan, sắt, nhôm.... - Ở tầng bình lưu oxy tồn tại ở dạng O2, O0, O+, O3, O2- nhưng oxi phân tử ở tầng bình lưu còn rất ít so với ở tầng đối lưu. Nguyên nhân là do oxi tham gia phản ứng quang hóa, tạo nên oxi nguyên tử và các gốc ion hóa.Ví dụ: GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 14
  15. Bài giảng: “Hóa học môi trường” O2 + h  O + O0 O3 + h  O + O2 O + h  O+ + e- O2 + h  O2+ + e- 2.4.2. Ozôn Ở tầng bình lưu, ôzôn chiếm thành phần quan trọng. Lớp ôzôn ở tầng này có tác dụng như một màng bảo vệ bức xạ cực tím đối với các sinh vật trên trái đất. Ở độ cao 20 – 30 km, nồng độ cực đại ôzôn khoảng 10 ppm. Qúa trình tạo thành và phân huỷ ôzôn trong khí quyển Ôzôn trong bầu khí quyển được tạo thành khi các tia cực tím chạm phải các phân tử ôxy (O2), chứa hai nguyên tử ôxy, tạo thành hai nguyên tử ôxy đơn, được gọi là ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử kết hợp cùng với một phân tử ôxy tạo thành ôzôn (O3). O2 + h  2O ( < 240 nm) O + O2  O3 3 O2  2O3 Phân tử ôzôn có hoạt tính cao, khi bị tia cực tím chạm phải, lại tách ra thành phân tử ôxy và một ôxy nguyên tử, một quá trình liên tục gọi là chu kỳ ôxy-ôzôn. Trước khi bắt đầu xu hướng suy giảm ôzôn, lượng ôzôn trong tầng bình lưu được giử ổn định nhờ vào cân bằng giữa tạo thành và phân hủy các phân tử ôzôn nhờ vào tia cực tím. O3 + h  O + O2 ( < 290 nm) O + O3  2O2 2 O3  3O2 Đây là các phản ứng cơ bản trong hoạt động chức năng của tầng ozon. 2.5. NƯỚC Có khoảng 7x1014 mol nước ở dạng khí; 9,5x1019 mol ở dạng lỏng. Với lượng bốc hơi từ đại dương (2,2x1016 mol/năm) và từ các sông hồ (3,5x1015 mol/năm) so với lượng nước ngưng tụ trên mặt đất (5,5x1015 mol/năm) và trên các đại dương (1,9x1016 mol/năm). - Thời gian tồn lưu trung bình của nước trong khí quyển là 10 ngày. - Ngược lại với oxy, nước phân bố không đều trong khí quyển, về cả không gian và thời gian. Phân tử nước hấp thụ năng lượng ở bước sóng  < 190 nm. Phản ứng giữa nước với phôtôn ở vùng sóng ngắn dẫn tới việc tạo thành nguyên tử H và gốc OH ở trạng thái hoạt hóa như sau: H2O + h ( < 242 nm)  H + OH GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 15
  16. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Mặc dù cơ chế tạo thành oxi từ nước chưa được giải thích hoàn toàn nhưng có thể là một loạt phản ứng nhiệt hóa học giữa nguyên tử hiđro và gốc OH rồi sau đó các oxi nguyên tử liên kết với nhau tạo nên oxi phân tử. H + OH  H2 + O O + O  O2 2.6. CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ TRONG KHÍ QUYỂN - Khí quyển chứa khoảng 3,9x1018 kg nitrogen. - Nguồn tiêu thụ N2 chủ yếu là quá trình cố định nitơ sinh học (2x1011kg/năm), quá trình sản sinh NO do sét và do quá trình đốt (7x1010 kg/năm). o t cao N2 + O2   2NO ngoài ra, các quá trình công nghiệp khoảng 5x1010 kg/năm. o xt ,450 C N2 + 3H2    2NH3 Nitơ có trong nước và đất ở dạng NH4+ hoặc NO3- được chuyển hóa sinh học thành các protein và nucleic acid. Quá trình phân hủy các chất này dưới tác dụng của vi khuẩn lại giải phóng nitơ vào khí quyển ở dạng N2 và N2O. Ở tầng đối lưu, N2O có khả năng phản ứng rất yếu. Khi N2O khuếch tán lên tầng bình lưu và hấp thụ các tia tử ngoại sóng ngắn hoặc bị phân ly bởi nguyên tử oxi hoạt hóa thì ta có chuỗi phản ứng sau: N2O + h  NO + N N2O + O  2NO N2O + O  N2 + O2 NO sinh ra trong khí quyển sẽ tham gia vào vòng phân hủy ôzôn. Các hoạt động của con người đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra NOx trong tầng bình lưu. Nhờ trở lực thấp nên các máy bay phản lực siêu âm bay trong tầng bình lưu nhưng lại thải ra 1 lượng lớn NOx . Lượng NOx này tham gia các phản ứng quang hóa và góp phần phân hủy ôzôn ở tầng này. Những vụ nổ hạt nhân cũng trực tiếp cung cấp một lượng lớn NO2 vào tầng bình lưu. Đây cũng là nguyên nhân dẫn tới sự phân hủy ôzôn, giảm hàm lượng ôzôn trong khí quyển. Do tốc độ sinh ra và mất đi của N2 rất nhỏ so với lượng có trong khí quyển nên thời gian tồn lưu của N2 là rất lớn (107 năm). 2.7. CÁC HỢP CHẤT CACBON TRONG KHÍ QUYỂN - Các hợp chất của cacbon chủ yếu là CO2 (3.105 triệu tấn/năm), CH4 (7.102 triệu tấn/năm, CO (1.103 triệu tấn/năm)...Trong đó thành phần do con người tạo ra chiếm 2% đối với CO2, 3% đối với CH4 và 10% đối với CO. - Lượng CO2: 1,4x1016 mol. ngược lại với oxy, nguồn sản sinh chủ yếu của CO2 trong khí GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 16
  17. Bài giảng: “Hóa học môi trường” quyển là quá trình hô hấp, quá trình đốt và quá trình phân hủy chất hữu cơ. - Quang hợp là quá trình tiêu thụ CO2 quan trọng (1,5x1015mol/năm). Bên cạnh đó, vì CO2 dễ tan trong nước nên cũng cần kể đến quá trình trao đổi CO2 với đại dương. Hàng năm đại dương sử dụng hết 7x1015mol và trả lại vào khí quyển 6x1015 mol CO2. - Thời gian lưu của CO2 trong khí quyển khoảng 2 năm. - Các nghiên cứu gần đây cho thấy lục địa tiêu thụ nhiều CO2 hơn các đại dương. Kết quả giám sát nồng độ CO2 qua nhiều năm cho thấy nồng độ CO2 trong khí quyển không đồng đều và có xu hướng tăng dần. Hình 2.3 – Kết quả giám sát nồng độ CO2 tại trạm Mauna Loa (Hawaii) trong giai đoạn 1958 – 1990. 2.8. CÁC CHẤT Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN DO HOẠT ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI 2.8.1. Các nguồn phát sinh ra các chất ô nhiễm không khí Bảng 2.3. Các nguồn thải ra các chất ô nhiễm đặc trưng STT Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng 1 Nhà máy nhiệt điện, lò nung, nồi hơi Bụi, SOx, NOx, COx, hydrocacbon đốt bằng nhiên liệu aldehyt. 2 Chế biến thực phẩm Bụi, mùi . Sản xuất nước đá Oàn, NH3 (nếu dùng gas ammoniac) . Chế biến hạt điều Bụi, mùi hôi, các phenol 3 Thuốc lá Bụi, mùi hôi, nicôtin 4 Dệt, nhuộm Bụi, hợp chất hữu cơ 5 Giấy Bụi, mùi hôi 6 Sản xuất hóa chất . Axit sunfuric SOx . Superphotphat Bụi, HF, H2SiF6 , SO3 . Amoniac NH3 . Keo, sơn, vecni Bụi, hợp chất hữu cơ bay hơi . Xà bông, bột giặt Bụi, kiềm . Lọc dầu Các hydrocacbon, bụi, COx , SOx , NOx . 7 Sành sứ, thuỷ tinh, vật liệu xây dựng Bụi, COx , HF GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 17
  18. Bài giảng: “Hóa học môi trường” STT Ngành sản xuất Các chất ô nhiễm đặc trưng 8 Luyện kim, lò đúc Bụi, SO2 , COx , NOx , 9 Nhựa, cao su, chất dẻo Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, SO2 10 Thuốc trừ sâu Bụi, mùi hôi, dung môi hữu cơ, TBVTV 11 Thuộc da Mùi hôi (do các hợp chất sunlfua, mecaptan, amoniac) 12 Bao bì Mùi hôi của các dung môi hữu cơ, bụi 13 Khí thải giao thông Bụi, chì, NOx , SOx , COx , hợp chất hữu cơ 14 Khí thải do đốt phục vụ sinh hoạt Bụi, mùi hôi, COx. Các chất ô nhiễm không khí có thể phân loại thành : hạt bụi với kích thước keo (bụi và sol khí) và khí với kích thước phân tử. 2.8.2. Bụi và sol khí Bụi là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micrômét đến nửa milimét. Khi bụi phân tán mạnh trong không khí hay các chất khí nói chung, hỗn hợp khí và bụi được gọi là aerosol rắn. Bụi là những chất ở dạng rắn hay lỏng có kích thước nhỏ, nhờ sự vận động của không khí trong khí quyển mà nó có thể phân tán trong một diện rộng. Bụi được đặc trưng bằng thành phần hóa học, thành phần khoáng cũng như phân bố kích thước hạt. Bụi do hoạt động nhân tạo sinh ra từ các quá trình sản xuất công nghiệp và sinh hoạt của con người. Hàng năm trên thế giới, con người thải vào khí quyển khoảng 200 triệu tấn bụi. Sol khí là hỗn hợp những hạt keo lơ lửng phân tán trong không khí với kích thước d < 1m, chúng tương đối bền, khó lắng và là nguồn gốc tạo ra các nhân ngưng tụ, hình thành mây mưa. Tác hại ô nhiễm của bụi và sol khí là ở chỗ chúng có khả năng tạo hợp chất với một số kim loại hiếm. Bụi và sol khí là phương tiện chính để chứa kim loại nặng trong khí quyển. Bụi và sol khí gây ô nhiễm khí quyển, ảnh hưởng tới cân bằng sinh thái, là nguồn gốc gây nên sương mù, cản trở phản xạ của tia mặt trời. Ô nhiễm bụi dẫn tới thay đổi pH ở phần trên bề mặt trái đất (tro bụi có tính kiềm) và tích tụ các chất độc...trên bề mặt thực vật. Ngoài ra có thể gây bệnh tật cho con người như ăn mòn da, mắt, cơ quan hô hấp, gây bệnh bụi phổi... 2.8.3. Các chất ô nhiễm dạng khí Chất ô nhiễm dạng khí bao gồm khí và hơi, tồn tại trong khí quyển ở điều kiện tự nhiên. Phần lớn khí ô nhiễm sinh ra do các hoạt động của con người, chủ yếu là CO, CO2, SO2... 2.8.3.1.Khí sunfurơ (SO2) và các hợp chất lưu huỳnh a. Khí sunfurơ GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 18
  19. Bài giảng: “Hóa học môi trường” Khí sunfurơ là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm. SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh (từ nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc dầu, sản xuất axit sunfuric..., sản xuất ximăng, giao thông vận tải. Hàm lượng S trong nhiên liệu sẽ quyết định lượng SO2 thải ra. Trong khí quyển khí SO2 có thể tham gia các phản ứng sau: - Phản ứng quang hóa khi hấp thụ tia bức xạ mặt trời torng khoảng bước sóng  = 300 – 400 nm, áp suất thấp và sinh ra SO2 kích hoạt SO2  SO2 0 - Trong điều kiện bình thường, với nồng độ 5 – 30 ppm khi độ ẩm không khí là 32 – 90 % và có mặt các thành phần quang hóa khác thì SO2 tham gia phản ứng tạo thành H2SO4 SO2 + O2 +H2O  H2SO4 - Tham gia phản ứng hóa học trong những giọt nước chứa muối kim loại hoặc với NH3 tạo nên sunfat: 2NH3 + SO2 + H2O  SO32- + NH4+ SO32- + H2O  H2SO4 H2SO4 + 2NH3  (NH4)2SO4 Tác hại: - Gây hiện tượng mưa axit do SO2 trong khí quyển có thể phản ứng với H2O tạo thành hơi axit H2SO4 hoặc SO2 có thể biến đổi thành SO3 tạo axit H2SO3 - SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất, ngang với tầm sinh hoạt của con người. SO2 có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật, gây các bệnh: sưng niêm mạc, ho, tức thở, viêm loét đường hô hấp, thậm chí có thể nguy hiểm chết người. - SO2 làm nhiễm độc cây trồng, ô nhiễm nguồn nước. Không khí bị ô nhiễm do SO2 , SO3 có thể gây ăn mòn kim loại, làm bạc màu tác phẩm nghệ thuật, làm giảm độ bền các loại vật liệu vô cơ, hữu cơ. Ngoài ra ô nhiễm SO2 còn làm giảm tầm nhìn trong khí quyển. Khí SO2 và SO3 kết hợp với các hạt bụi lơ lửng trong khí quyển tạo nên những hạt bụi có độ ô nhiễm nặng hơn. b. Khí sunfuahydro (H2S) H2S là một chất khí độc hại, không màu sắc nhưng có mùi trứng thối rất khó chịu. Nguyên nhân phát sinh khí H2S: - Trong công nghiệp: có trong khí thải của các quá trình sử dụng nhiên liệu chứa sunfua, các quá trình tinh chế dầu mỏ, các khu vực chế biến thực phẩm, rác thải của thành phố do các chất hữu cơ bị thối rữa dưới tác dụng của vi khuẩn. Hàng năm có khoảng 3 triệu tấn H2S được sinh ra từ công nghiệp. - Ngoài ra H2S sinh ra từ các vết nứt núi lửa, hầm lò khai thác, bờ biển, cống rãnh...nơi có các động thực vật thối rữa. Hậu quả: - Ở nồng độ thấp ( 5 ppm) gây nhức đầu, khó chịu. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 19
  20. Bài giảng: “Hóa học môi trường” - Ở nồng độ cao (>150 ppm) có thể gây tổn thương màng nhầy của cơ quan hô hấp - Ở nồng độ cao hơn ( 500 ppm) có thể gây ỉa chảy, viêm phổi và khi đạt điến nồng độ 700 – 900 ppm, H2S nhanh chóng xuyên màng túi phổi và thâm nhập vào mạch máu, gây tử vong. - Đối với thực vật, H2S làm tổn thương lá cây, làm rụng lá và giảm sinh trưởng. 2.8.3.2. Các oxyt cacbon a. Oxytcacbon CO là khí không màu, không mùi vị, chiếm tỷ lệ lớn nhất trong số các khí gây ô nhiễm môi trường không khí, sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu chứa cacbon ở điều kiện thiếu không khí hoặc các điều kiện kỹ thuật không được khống chế nghiêm ngặt như nhiệt độ, thời gian lưu, hàm lượng oxi...Ví dụ nếu khống chế tố điều kiện kỹ thuật của nhà máy điện (dùng than) sẽ có thể tiết kiệm được 30% tổng số nhiên liệu rắn và giảm được 50% lượng CO trong khí thải. CO còn được sinh ra trong hoạt động giao thông, các nhà máy nhiên liệu dùng thanm một số ngành công nghiệp và quá trình đốt chất thải rắn. Hàng năm có khoảng 250 triệu tấn CO do các hoạt động sản xuất con người sinh ra. Tác hại: - Tác dụng với hồng cầu (hemoglobin) trong máu tạo thành 1 hợp chất bền vững làm giảm khả năng hấp thụ oxi của hồng cầu để nuôi cơ thể. HbO2 +CO  HbCO + O2 - Ngộ độc CO nhẹ để lại di chứng hay quên, thiếu máu, ngộ độc nặng gây ngất, liệt tay chân, thậm chí tử vong. - Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao (100 – 10000 ppm) sẽ rụng lá, cây non chết. b. Đioxytcacbon CO2 vốn có trong thành phần của không khí sạch nhưng nó có thể được phát sinh khi đốt cháy hoàn toàn nguyên, nhiên liệu chứa cacbon và trong quá trình hô hấp, quang hợp của động thực vật. Hàng năm, trong lĩnh vực chế biến và sử dụng than đá, con người đã thải vào khí quyển 20.109 tấn CO2, một nửa được hơi nước và sinh vật hấp thụ, số còn lại sẽ tồn lưu trong khí quyển. Hậu quả CO2 ở nồng độ thấp không gây nguy hiểm cho người nhưng ở nồng độ cao sẽ dẫn tới hiện tượng hiệu ứng nhà kính. 2.8.3.3. Các hợp chất nitơ Các oxyt nitơ (NOx) xuất hiện trong khí quyển qua quá trình đốt nhiên liệu ở nhiệt độ cao, qua quá trình oxi hóa nitơ trong khí quyển do tia sét, núi lửa..., các quá trình phân hủy bằng VSV và các quá trình hóa học sử dụng hợp chất nitơ. Trong các oxyt nitơ thì NO và NO2 là hai thành phần quan trọng trong việc hình thành khói quang hóa và gây ô nhiễm môi trường. GV: Nguyễn Xuân Quỳnh Như – Khoa CNSH &KTMT 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2